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1、精选优质文档-倾情为你奉上名 称：扩频技术在WCDMA中的应用与仿真 学 院 ： 研究生院 专 业 ： 通信与信息系统 年 级 ： 2010 学 号 ： 摘要随着通信技术的发展，人们不再满足于第一代和第二代移动通信系统所提供的业务和质量，而是希望任何人，在任何地方，任何时间，可以同任何人进行任何方式任何信息的通信。扩频技术是应运而生的第三代移动通信系统的关键技术之一，相对于第二代移动通信而言，第三代移动通信具有很好的频谱效率和更大系统容量等很多优点。本文以WCDMA为例对扩频通信技术在CDMA中的应用与作用进行了基本的介绍，WCDMA是3G的三大主流标准之一。本文首先对扩频通信技术发展及基本原
2、理进行了简单的介绍，然后对CDMA的基本原理、WCDMA的基本情况进行了简单论述。接下来，对扩频技术在WCDMA的上行链路的应用进行了详细讨论并进行了仿真。本仿真系统是利用MATLAB软件的SIMULINK工具实现的。系统包括了信号的产生、扩频、解扩、加扰、解扰、调制、解调等部分。并对结果进行了时域分析。在SIMULINK中，整个系统实现了模块化，一目了然，便于操作和修改。关键词： WCDMA技术 扩频 调制 加扰 仿真专心-专注-专业第一章 扩频技术的发展及基本原理1.1 扩频通信技术的产生扩频通信技术自50年代中期美国军方便开始研究，一直为军事通信所独占，广泛应用于军事通信、电子对抗以及导
3、航、测量等各个领域。直到80年代初才被应用于民用通信领域。为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术现已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中。1.2 扩频技术的含义扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽。频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关。在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。这一定义包含了以下三个信息，即：1）信号的频谱被展宽了;2
4、）采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱;3）在接受端采用相关解调来解扩.13 扩频技术的理论基础根据香农在信息论研究中总结出的信道容量公式，即香农公式： C = WLog2(1+S/N)式中：C-信息的传输速率、 S-有用信号、功率 W-频带宽度、 N-噪声功率从香农公式可以看出，为了提高信息的传输速率C，可以通过加大带宽W或提高信噪比S/N来实现。即信号带宽W和信噪比S/N是可以互换的，增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想
5、和理论依据。 14 扩频通信系统的分类扩频通信系统按其工作方式主要分为直接序列扩频系统(DSSS)、跳频扩频系统(FHSS)、跳时扩频系统(THSS)、宽带线性扩频系统(Chirp-SS)、混合扩频系统(如FHDS，DSTH)等5种。其中，民用较多的是直接序列扩频系统和跳频扩频系统。下面对以上五种扩频技术加以简单介绍。1 ）直接序列扩频系统直接序列扩频是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解码，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN码(伪噪声码) 进行模二加。例如在发射端将“1”
6、用，而将“0”用去代替，这个过程就实现了扩频，而在接收端只要把收到的序列是就恢复成“1”，是就恢复成“0”，就实现了解扩。这样信源速率就被提高了11倍，同时也使处理增益达到10dB以上，从而有效地提高了整机信噪比。2) 跳频扩频跳频扩频(FHSS)技术是通过伪随机码的调制，使载波工作的中心频率不断跳跃改变，而噪音和干扰信号的中心频率却不会改变。这样，只要收、发信机之间按照固定的数字算法产生相同的伪随机码，就可以达到同步，排除噪音和其他干扰信号。3) 跳时扩频(THSS)跳时是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列进行控制。即可以把跳时理解为：用
7、一定码序列进行选择的多时片的时移键控。由于采用了窄得很多的时片去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。在发端，输入的数据先存储起来，由扩频码发生器的扩频码序列去控制通一断开关，经二相或四相调制后再经射频调制后发射。在收端，由射频接收机输出的中频信号经本地产生的与发端相同的扩频码序列控制通一断开关，再经二相或四相解调器，送到数据存储器和再定时后输出数据。只要收发两端在时间上严格同步进行，就能正确地恢复原始数据。4 )宽带线性调频扩频简称为切普扩频发射的射频脉冲信号在一个周期内，其载频的频率作线性变化。因为其频率在较宽的频带内变化，信号的带宽也被展宽了。由于这种线性调频信号占用的频带宽度远大于
8、信息带宽，所以也是一种扩频调制技术。它利用一系列短促的，可以同步的扫描频率chirps(线性调频波)作为载体，每个线性调频波一般持续lO0s，它代表了最基本的通信符号时间(UsT)。这些chirps覆盖了100kHz-400kHz的频带，并总是以200kHz400kHz的频率开始，继而以100kHz200kHz的频率结束。由于chirps信号的线性扫描带宽比信号带宽要大得多，其线性加速度是较高的，而等幅振荡波干扰(ContinuousWave Jamming)的频率加速度一般是稳定的，所以只要将滤波器设计成只能通过具有特定角加速度的信号，就可以将CW 干扰排除在外。另外，此种线性调频波波形还具
9、有很强的自相关特性，这种模糊逻辑的相关性决定了所有连接在网络上的设备，可以同时识别从网上任意设备发出的这种独特波形，并且不需要在发送和接收设备间进行同步。5）混合扩频系统在上述几种基本的扩频方式的基础上，可以组合起来，构成各种混合方式。例如DSFH、DSTH、DSFHTH等等。一般说来，采用混合方式在技术上要复杂一些，实现起来也要困难一些。但是，不同方式结合起来的优点是有时能得到只用其中一种方式得不到的特性。因此，对于需要同时解决诸如抗干扰、多址组网、定时定位、抗多径和远近问题时，就不得不同时采用多种扩频方式。15扩频通信系统的基本原理图1-1以直接序列扩频通信系统为例，对扩频通信系统的基本原
10、理进行简单介绍并给出了直接序列扩频通信系统的简化原理方框图。由信源产生的信息流通过编码器变换为二进制数字信号。二进制数字信号中所包含的两个符号的先验概率相同，均为，且两个符号相互独立，其波形图如图1-2(a)所示，二进制数字信号与一个高速率的二进制伪噪声码的波形（如图1-2(b)所示，伪噪声码作为系统的扩频码序列）相乘，得到如图1-2(c)所示的复合信号，这就扩展了传输信号的带宽。一般伪噪声码的速率是Mb/s的量级，有的甚至达到几百Mb/s。而待传输的信息流经编码器编码后的二进制数字信号的码速率较低，如数字话音信号一般为16 kb/s 32kb/s，这就扩展了传输信号的带宽。（a） 发射系统(
11、b) 接收系统频谱扩展后的复合信号对载波（为载波频率）进行调制（直接序列扩频一般采用PSK调制），然后通过发射机和天线送入信道中传输。发射机输出的扩频信号用表示，其示意图如图1-2(d)所示。扩频信号的带宽取决于伪噪声码的码速率。在PSK调制的情况下，射频信号的带宽等于伪噪声码速率的2倍，即，而几乎与数字信号的码速率无关。以上对待传输信号的处理过程就是对信号的频谱进行扩展的过程。经过上述过程的处理，达到了对扩展频谱的目的。在接收端用一个和发射端同步的参考伪噪声码所调制的本地参考振荡信号（为中频频率），与接收到的进行相关处理。相关处理是将两个信号相乘，然后求其数学期望（均值），或求两个信号瞬时值
12、相乘的积分。当两个信号完全相同时（或相关性很好），得到最大的相关峰值，经数据检测器恢复出发射端的信号。若信道中存在着干扰，这些干扰包括窄带干扰、人为瞄准式干扰、单频干扰、多径干扰和码分多址干扰等等，它们和有用信号同时进入接收机，如图1-3(a)所示。图1-3中，为伪噪声码速率，为载波频率，为中频频率。 (a) 接收机输入 (b) 混频器输出 (c) 中频滤波器输出 图1-3由于窄带噪声和多径干扰与本地参考扩频信号不相关，所以在进行相关处理时被削弱，实际上干扰信号和本地参考扩频信号相关处理后，其频带被扩展，也就是干扰信号的能量被扩展到整个传输频带之内，降低了干扰信号的电平(单位频率内的能量或功率
13、)，如图1-3(b)所示。由于有用信号和本地参考扩频信号有良好的相关性，在通过相关处理后被压缩到带宽为的频带内，因为相关器后的中频滤波器通频带很窄，通常为，所以中频滤波器只输出被基带信号调制的中频信号和落在滤波器通频带内的那部分干扰信号和噪声，而绝大部分的干扰信号和噪声的能量（功率）被中频滤波器滤除，这样就大大地改善了系统的输出信噪比，如图1-3(c)所示。关于这一特性，将在扩频通信系统的性能分析一章中作进一步分析。为了对扩频通信系统的这一特性有一初步了解，我们以解扩前后信号功率谱密度示意图来说明这一问题。假设有用信号的功率为，码分多址干扰信号的功率，多径干扰信号的功率，其他进入接收机的干扰和
14、噪声信号功率。再假设所有信号的功率谱是均匀分布在的带宽之内。解扩前的信号功率谱见图1-4中的(a)，图中各部分的面积均为。解扩后的信号功率谱见图1-4中的(b)，各部分的面积保持不变。通过相关解扩后，有用信号的频带被压缩在很窄的带宽内，能无失真的通过中频滤波器2Rc2RcBb(a)(b) 有用信号多址信号多径信号噪声有用信号多址信号多径信号噪声4Rcf0fIF 图1-4（滤波器的带宽为）。其他信号和本地参考扩频码无关，频带没有被压缩反而被展宽了，进入中频滤波器的能量很少，大部分能量落在中频滤波器的通频带之外，被中频滤波器滤除了。我们可以定性的看出，解扩前后的信噪比发生了显著的改变。14 扩频通
15、信的特点1) 抗干扰性强扩频通信系统扩展的频谱越宽，处理增益越高，抗干扰能力就越强。简单地说，如果信号频谱展宽lO倍，那么干扰方面需要在更宽的频带上去进行干扰，分散了干扰功率，从而在总功率变的条件下，其干扰强度只有原来的110。另外，由于接收端采用扩频码序列进行相关检测，空中即使有同类信号进行干扰，如果不能检测出有用信号的码序列，干扰也起不了太大作用，因此抗干扰性能强是扩频通信的最突出的优点。2 )信息保密性好由于扩频信号在很宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率就很小，即信号的功率谱密度很低，所以应用扩码序列扩展频谱的直接序列扩频系统，可在信道噪声和热噪声的背景下，在很低的信号功率谱密度上进行通信。信号
